低成本、高速度生产燃料电池的新方法

10月8日至9日，在由弗劳恩霍夫激光技术研究所主办的国际氢能技术展览会上，氢能行业的专家们了解到先进激光技术是如何为氢能技术的突破铺平了道路。在4号展厅的4E51 展台上，研究所的专家们展示了创新技术能够满足氢能技术日益增长的需求，以及激光技术在提高效率、降低成本，改善燃料电池生产可持续性方面的潜力。

氢能技术要想成为能源转型的关键，就必须迈出决定性的一步——实现广泛应用。然而，阻碍这一突破的主要原因是，燃料电池和电解槽的昂贵材料和复杂高昂的制造工艺成本。弗劳恩霍夫激光技术研究所应对挑战，开发具有成本效益和可扩展的解决方案。在本次举办的国际氢能技术展览会上，他们的创新成果有助于使生产工艺变得更经济，同时具有可持续性。

基于激光的电极干燥：燃料电池生产中的能效、速度和空间节约

随着燃料电池需求的增长，提高生产工艺的效率变得越来越重要。然而，一个关键的挑战依然存在：干燥高分子聚合物电解质（PEM）燃料电池中膜电极组件（MEA）的湿涂电极层。传统上，这一过程是在大型对流烘箱中进行的，不仅能耗高，而且占用生产车间的大量空间。

通过激光加工双极板，可提高耐腐蚀性和燃料电池生产效率

弗劳恩霍夫激光技术研究所开发的激光辅助干燥技术可以解决这些问题。激光可选择性地照射电极，从而将干燥时间从几分钟缩短到几秒钟。干燥时间的大幅缩短显著提高了生产速度，尤其是在卷对卷工艺中。此外，与传统燃气连续烤箱相比，这种工艺还能减少能源需求。此外，激光系统所需的空间也大大减少，从而使生产线更加紧凑和灵活。

“通过开发用于生产膜电极单元的激光卷对卷工艺，我们在提高燃料电池生产工艺效率方面迈出了重要一步。通过激光辅助干燥技术，我们设定了一个新标准，不仅提高了生产速度，还优化了能源效率和空间利用率。”弗劳恩霍夫激光技术研究所薄膜加工小组的Manuella Guirgues解释说。

双极板防腐蚀涂层：提高燃料电池生产效率并降低成本

特别是对于高分子聚合物电解质燃料电池而言，燃料电池内部的侵蚀性化学条件给生产带来了新的挑战。保护金属双极板（BPP）免受腐蚀不仅对电池的使用寿命至关重要，而且对整个燃料电池堆的效率也至关重要。

在真空中对双极板进行化学或物理气相沉积镀膜时，成本会增加，生产速度也会减慢。弗劳恩霍夫激光技术研究所正在研究一种将喷涂涂层与激光束加工相结合的工艺，以便在金属双极板上实现导电和耐腐蚀的表面处理，而不需要高能耗的真空工艺。

弗劳恩霍夫激光技术研究所的氢气实验室有一个涵盖双极板生产整个工艺链的最先进的研究环境。在这里，企业与科学家共同研究开创性的解决方案，从单个工艺的优化到新技术的开发

这种方法不仅可以通过使用具有成本效益的材料大大降低生产成本，还能更好地融入连续生产工艺。该工艺的高可扩展性有助于为不断增长的高分子聚合物电解质燃料电池市场提供高效服务。高温功能化小组的Julius Funke强调说：“我们基于激光的防腐层生产方法，为传统真空工艺提供了一种高效、经济的替代方案。它能够加快生产速度并提高可扩展性，这对于满足高分子聚合物电解质燃料电池日益增长的需求，至关重要。”

Sathishkumar Natarajan（左）和Manuella Guirgues正在研究激光辅助电极干燥技术。该技术大大缩短干燥时间，提高燃料电池生产效率

通过双梁焊接和修复成型工具优化燃料电池生产

双梁焊接也可用于加快其他地方的生产速度。这种工艺使用两束激光同时焊接金属双极板，在不影响接缝质量的情况下，可将周期时间缩短近50%。当两束激光在一个点上进行焊接时，熔池的动态会受到选择性影响，从而实现更高的焊接速度，并避免驼峰等典型缺陷。该工艺可实现更快、更高效的生产，满足氢技术日益增长的需求。

金属双极板的生产还受到所用工具钢使用寿命的影响。由于机械负荷大，工具很容易磨损。弗劳恩霍夫激光技术研究所采用的方法是用结构钢替代成本高昂的工具钢，并使用极高速激光熔覆（EHLA）技术涂上高质量的耐磨保护涂层。与传统工具钢相比，涂层工件的滑动摩擦耐磨性提高了10倍以上。极高速激光熔覆工艺还可以修复工具的受损区域，从而使工具得到改造和重复使用。这项技术大大延长了工具的使用寿命，从而降低了生产成本，提高了制造业的可持续性。

弗劳恩霍夫激光技术研究所正在开发一系列工艺，以提高燃料电池组件制造工艺链的效率。这些工艺包括高速切割，通过高速切割可对双极板进行精确修整，并直接切割介质进料孔。一种创新方法是通过激光在金属双极板中引入微结构，从而降低电接触电阻，并在燃料电池运行期间将水排出接触区。亚琛的研究人员还在深入研究复合双极板和膜电极组件的结构和焊接，以进一步实现燃料电池生产的自动化和高效化。

作者：Samuel Moritz Fink、Manuella Guirgues（弗劳恩霍夫激光技术研究所）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。